一种基于相位优化的天线模式项散射预估及减缩方法与流程

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及磁场与微波技术领域的天线隐身技术的一种基于相位优化的天线模式项散射预估及减缩方法。


背景技术：

2.随着电子技术的快速发展，军事探测、精确制导和精准打击技术迅猛提升。在新的战争环境下，隐身技术作为提高武器生存、突防的有效手段，受到各国的高度重视。雷达散射截面(radar cross section，rcs)是为了度量雷达目标散射电磁波的强度而假象出的一种具有面积量纲的物理量。不同于载体平台的隐身设计，天线的散射减缩技术研究具有更高的挑战性。一方面，天线的低散射设计必须保证天线的正常辐射性能；另一方面，天线的散射机理更为复杂，天线的总散射场可以分解为结构模式项散射场和天线模式项散射场，其中，结构模式项散射场由天线的尺寸、结构、材料等自身属性决定，而天线模式项散射场则来源于天线阻抗失配而引起的二次辐射。
3.近年来各国学者对天线散射减缩已开展了大量研究，并相继提出了许多方法，然而目前大多数方法都是针对天线结构项散射场的减缩：例如对天线进行修形，加载吸波材料等。针对阵列天线模式项散射减缩的研究很少，一般都是通过改变相位或幅度等因素，预估天线的总散射场从而实现天线总散射场的减缩。但是这些方法不能准确的预估大型阵列天线的模式项散射场，只能大致预估天线单元或者阵列的总散射场，这使最终的减缩效果无法得到保证。对于准确预估阵列天线模式项散射并对它与天线辐射特性进行综合调控，对在不影响天线辐射特性的情况下实现天线模式项散射场与结构项散射场的对消，从而实现对总散射场的可调减缩具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于相位优化的天线模式项散射预估及减缩方法，用以快速且准确的预估大型阵列天线模式项散射，并在尽量不影响辐射特性的基础上实现天线模式项散射场的减缩。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.一种基于相位优化的天线模式项散射预估及减缩方法，具体包括以下步骤：
7.步骤1，预估阵列天线模式项散射场以及辐射场；
8.步骤2，构建阵列天线馈电相位变化时辐射特性与散射特性的综合表达式；
9.步骤3，确定适应度函数，利用遗传算法优化得到使天线模式项散射场减缩的相位参数。
10.进一步的，步骤1的具体过程如下：
11.步骤101，利用完全匹配法得到阵列天线中其中一小型阵列的阵元天线模式项散射场，通过散射场叠加定理得到小型阵列天线模式项散射场；
12.步骤102，利用小阵推大阵的方法预估阵列天线模式项散射场；
13.步骤103，阵列天线的辐射场由有源方向图叠加定理得到。
14.进一步的，步骤2的具体过程如下：
15.利用阵列天线馈电端口同轴线长度变化实现端口馈电相位的改变，把整个阵列天线变化的相位分布加入小阵推大阵的天线模式项散射场表达式与辐射场表达式，并分别验证天线模式项散射场表达式与辐射场表达式的准确性。
16.进一步的，步骤3的具体过程如下：
17.步骤301，确定使用遗传算法对阵列天线的天线模式项散射与辐射进行综合优化，优化变量为阵列天线馈电端口的相位分布；
18.步骤302，根据构建的阵列天线模式项散射场与辐射场的表达式，分析辐射特性与散射特性，确定辐射特性与散射特性在优化过程中所占的权重，构建优化算法的适应度函数，获得优化相位分布。
19.进一步的，遗传算法对阵列天线的天线模式项散射与辐射的优化包括：确定遗传算法的种群规模、变异交叉率、选择与变异方法，自变量取值范围。
20.与现有技术相比，本发明的优势在于：
21.1、由于本发明提取出阵列天线每个阵元的天线模式项散射，可以利用小阵推大阵的方法来预估大型阵列天线的天线模式项散射。该方法考虑了阵元间的耦合与边缘效应，相比于没有考虑边缘效应的散射方向图乘积定理而言，预估结果更加准确。
22.2、把单独的天线模式项与辐射场进行综合优化，可以更加明确的看到天线模式项散射场与辐射场变化的关系，为阵列天线模式项散射与天线结构项散射精准对消提供技术基础。
附图说明
23.图1是本发明的流程图；
24.图2是本发明遗传算法流程图；
25.图3是本发明验证小阵推大阵方法准确性阵列天线结构图
26.图4是本发明验证实例阵列天线结构图；
27.图5是本发明预估阵列天线模式项散射对比图；
28.图6是本发明预估阵列天线辐射对比图；
29.图7是本发明加入相位调控参数后散射特性预估对比图；
30.图8是本发明优化阵列与参考阵列辐射对比图；
31.图9是本发明优化阵列与参考阵列天线模式项散射对比图。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
33.下面针对本实施例简要说明，本实施例的具体思路是：
34.s01、预估阵列天线模式项散射场以及辐射场；
35.s02、构建阵列天线馈电相位变化时辐射特性与散射特性综合表达式；
36.s03、确定适应度函数，利用遗传算法优化得到使天线模式项散射场减缩的相位参数。
37.在示例中，预估阵列天线模式项散射场以及辐射场包括：利用完全匹配法得到小型阵列天线每个阵元的天线模式项散射场，通过散射场叠加定理得到整个阵列的天线模式项散射场；再利用小阵推大阵的方法预估大型阵列的天线模式项散射场；
38.阵列天线的辐射场由有源方向图叠加定理得到。
39.在示例中，构建阵列天线馈电相位变化时辐射特性与散射特性综合表达式包括：利用阵列天线馈电端口同轴线长度变化实现端口馈电相位的改变，把整个阵列变化的相位分布加入小阵推大阵的天线模式项散射场表达式与辐射场表达式，并分别验证上述表达式的准确性；
40.在示例中，所述确定适应度函数，利用遗传算法优化得到使天线模式项散射场减缩的相位参数包括：确定使用遗传算法对阵列天线的天线模式项散射与辐射进行综合优化，优化变量为该阵列天线馈电端口的相位分布。根据上述构建的关于阵列天线模式项散射场与辐射场的表达式确定该优化算法的适应度函数。在不影响天线辐射特性的基础上，尽可能的降低阵列天线的模式项散射。
41.下面针对附图详细说明：如图1所示，包括：
42.s01、预估阵列天线模式项散射场以及辐射场；
43.s02、构建阵列天线馈电相位变化时辐射特性与散射特性综合表达式；
44.s03、确定适应度函数，利用遗传算法优化得到使天线模式项散射场减缩的相位参数。
45.预估阵列天线模式项散射场以及辐射场包括：
46.首先我们需要精准提取小型阵列天线模式项散射场。把阵列天线端口接匹配负载时的散射场看作结构项散射场，天线模式项散射为该阵列天线的总散射场减去结构模式项散射场，这种方法被称为完全匹配法。要得到阵列天线中每个阵元的有源天线模式项散射场，需要仿真阵列天线端口接不同负载状态下的散射场：
47.这些负载状态分别包括：
48.状态1：所有单元均接短路负载，得到阵列天线短路时的散射场
49.状态2：第n个单元接匹配负载，其余单元接短路负载，得到此时的散射场
50.状态3：所有单元均接匹配负载，得到阵列天线匹配时的散射场
51.状态4：第n个单元接短路负载，其余单元接匹配负载，得到此时的散射场
52.则阵列天线短路情况下的天线模式项散射为：
[0053][0054]eas
为小型阵列的天线模式项散射场。接下来我们基于阵元间的耦合特性：即只有相邻单元对其的互耦影响最大来预估大型阵列的天线模式项散射场，小阵和大阵中心阵元及边缘阵元阵列环境是相似的。利用小阵中心单元的模式项散射方向图模拟大阵中心单元的模式项散射方向图；小阵边缘单元的模式项散射方向图模拟大阵边缘单元的模式项散射方向图。得到小阵推导大阵的天线模式项散射其计算公式：
[0055][0056]
其中，为第p个阵元的天线模式项散射场，n为大型阵列阵元数，m为小型阵列阵元数。dn为沿x轴第n个阵元距离第一个阵元的间距，dm为沿x轴第m个阵元距离第一个阵元的间距。为散射波矢量，θ为坐标系俯仰角，θi为观测角。
[0057]
构建阵列天线馈电相位变化时辐射特性与散射特性综合表达式包括：
[0058]
由于通过电磁仿真软件仅进行一次全波仿真或通过实验测试提取出阵列所有单元的有源单元辐射方向图，则基于有源方向图叠加定理就能和轻易的得带阵列总辐射场，表示为：
[0059][0060]
代表阵列中第n个单元的有源单元方向图，θ和φ分别为坐标系的俯仰角与方位角，in和分别表示阵列天线第n个阵元的激励幅度和附加相位贡献。根据阵列辐射原理可得到增益方向图与远区辐射场之间的关系，得到阵列可实现增益方向图为：
[0061][0062]
其中，η＝120πω为自由空间波阻抗；p
inc
为阵列总入射功率。
[0063]
通过只优化阵列各个单元馈电端口处引入的附加相位激励就可以实现阵列天线在指定频段指定角域内的天线模式项散射控制，并同时保证天线的带内辐射性能基本不被恶化。天线馈电相位变化后阵列单站天线模式项散射场预估表达式为：
[0064][0065]
对应于单元n上的附加相位贡献。定义为阵列天线模式项散射场阵因子。根据rcs的定义有：
[0066][0067]
为入射平面波，r为目标到远区场的距离。
[0068]
确定适应度函数，利用遗传算法优化得到使天线模式项散射场减缩的相位参数包括：
[0069]
将相位贡献作为优化变量，采用遗传算法对阵列的辐射性能和散射性能进行综合优化，选定的优化频率为6.25ghz，优化单站散射方向为0
°
，即最大散射方向，观测面为xoz面，平面入射波极化为主极化。设定适应度函数为：
[0070]
fit(φ)＝w1*g+w2*σ
[0071]
其中，g＝abs(g-gd)，g为优化后每个目标对应的实际增益，σ为优化后每个目标对应的天线模式项散射场。为了保证在满足辐射的条件下实现散射的降低，根据增益的变化来确定辐射和散射的权重。该权重是变化的，根据上述的模型而言，我们最终计算确定它们的权重为：
[0072]
g＜2；w1＝0.1,w2＝1
[0073]
g＞2；w1＝6.5,w2＝1
[0074]
如图2所示为遗传算法流程图，确定相位优化的范围为0π，选择方式为轮盘赌变异方式为在自变量范围内随机。
[0075]
下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的描述。
[0076]
1、仿真结构：
[0077]
为了验证该预估方法的准确性及通用性，对该方法进行实例验证。验证所用天线如图3所示：
[0078]
图3给出了一个工作在10.1ghz频率处的微带贴片天线作为验证天线，介电常数为2.2，介质长宽都为25mm；
[0079]
图4给出了工作带宽为5-7.5ghz的vivaldi阵列天线，介质板介电常数为2.2，金属贴片位于介质板的上下两层，采用同轴-微带-带状线进行耦合馈电，阵元间距为25mm，该1*12天线阵列在最大方向的增益为14.36dbi。
[0080]
2、仿真内容与仿真结果分析：
[0081]
本发明的仿真实验是利用商业仿真软件feko对参考图3和图4中所述的微带阵列天线和vivaldi阵列天线建模仿真并提取结果，再利用matlab对所提出的方法进行计算验证。
[0082]
图5为利用不同方法预估了1*21元微带阵列天线的单站模式项散射场，由于散射场在0
°
左右是对称的，所以我们只取了0
°
～90
°
的观测角，平面入射波phi(主极化)入射。在观测角为0
°
时，小阵推大阵法与散射方向图乘积法都与仿真方法拟合良好，在50
°
以上的大角域内，小阵推大阵法相较于散射方向图乘积法更加准确。
[0083]
图6为本发明利用有源方向图叠加定理可以准确的得到大型阵列天线辐射场。
[0084]
图7为本发明加入相位调控参数后散射特性预估对比图；由于加入附加相位贡献后每个阵元不是完全相同，取-90
°
～90
°
的观测角，基于小阵推大阵法较传统方法对比，在大角度时，-90
°
～-40
°
时，提出方法的准确性不如传统方法，原因是因为附加的同轴是按从短到场排列的，在长的一端该同轴对阵列天线的耦合和边缘效应影响加大，导致该天线模式项散射方向图并不对称且准确性下降。但在40
°
～90
°
时，提出方法比散射方向图乘积法准确的多。总的来说，基于小阵推大阵法准确性优于散射方向图乘积法。
[0085]
图8和图9为本发明优化阵列与参考阵列天线模式项散射及辐射对比图。可以看出阵列天线的增益下降1.36db，但是其天线模式项散射在最大散射方向缩减了13.2db。

技术特征：
1.一种基于相位优化的天线模式项散射预估及减缩方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，预估阵列天线模式项散射场以及辐射场；步骤2，构建阵列天线馈电相位变化时辐射特性与散射特性的综合表达式；步骤3，确定适应度函数，利用遗传算法优化得到使天线模式项散射场减缩的相位参数。2.根据权利要求1所述的一种基于相位优化的天线模式项散射预估及减缩方法，其特征在于，步骤1的具体过程如下：步骤101，利用完全匹配法得到阵列天线中其中一小型阵列的阵元天线模式项散射场，通过散射场叠加定理得到小型阵列天线模式项散射场；步骤102，利用小阵推大阵的方法预估阵列天线模式项散射场；步骤103，阵列天线的辐射场由有源方向图叠加定理得到。3.根据权利要求2所述的一种基于相位优化的天线模式项散射预估及减缩方法，其特征在于，步骤2的具体过程如下：利用阵列天线馈电端口同轴线长度变化实现端口馈电相位的改变，把整个阵列天线变化的相位分布加入小阵推大阵的天线模式项散射场表达式与辐射场表达式，并分别验证天线模式项散射场表达式与辐射场表达式的准确性。4.根据权利要求3所述的一种基于相位优化的天线模式项散射预估及减缩方法，其特征在于，步骤3的具体过程如下：步骤301，确定使用遗传算法对阵列天线的天线模式项散射与辐射进行综合优化，优化变量为阵列天线馈电端口的相位分布；步骤302，根据构建的阵列天线模式项散射场与辐射场的表达式，分析辐射特性与散射特性，确定辐射特性与散射特性在优化过程中所占的权重，构建优化算法的适应度函数，获得优化相位分布。5.根据权利要求2所述的一种基于相位优化的天线模式项散射预估及减缩方法，其特征在于，遗传算法对阵列天线的天线模式项散射与辐射的优化包括：确定遗传算法的种群规模、变异交叉率、选择与变异方法，自变量取值范围。

技术总结
本发明公开一种基于相位优化的阵列天线模式项散射预估及减缩方法，属于通信技术领域，其优化方法：利用小阵推大阵准确预估阵列天线模式项散射特性与辐射特性；在辐射性能基本不变的条件下，以降低天线模式项散射为目标，构建天线馈电相位变化时辐射特性和散射特性的综合表达式，以此作为优化算法的适应度函数；确定使用遗传算法对目标进行优化，得到在辐射性能基本不变的情况下天线模式项散射明显减缩的一组相位。本发明所预估的阵列天线模式项散射准确性优于散射方向图乘积定理，且缩短了大型阵列天线模式项散射的预估时间，可以最大程度的减缩阵列天线模式项散射。最大程度的减缩阵列天线模式项散射。最大程度的减缩阵列天线模式项散射。


技术研发人员：贾丹 贾永涛 韩国栋 杜彪 赵泽康 刘英 韩嘉良 吴旭
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/6